DE102019129789A1 - Process for depositing a two-dimensional layer and CVD reactor - Google Patents
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-
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abscheiden einer zweidimensionalen Schicht auf einem Substrat (4) in einem CVD-Reaktor (1), bei dem mittels einer Zuleitung (10, 20) ein Prozessgas in eine Gasverteilkammer (11, 21) eines Gaseinlassorganes (2) eingespeist wird, welches Gasaustrittsöffnungen (14, 24) aufweist, die in eine Prozesskammer (3) münden, bei dem das Prozessgas oder Zerlegungsprodukte des Prozessgases in der Prozesskammer (3) zu einer Oberfläche eines Substrates (4) gebracht werden, und bei dem das Substrat (4) mittels einer Heizeinrichtung (6) auf eine Prozesstemperatur (TP) gebracht wird, sodass das Prozessgas in der Prozesskammer chemisch derart reagiert, dass auf der Oberfläche die zweidimensionale Schicht abgeschieden wird. Zur Abscheidung von Heterostrukturen wird vorgeschlagen, dass das Gaseinlassorgan (2) zumindest zwei voneinander getrennte Gasverteilkammern (11, 21) aufweist, die mit jeweils einer Zuleitung (10, 20) mit voneinander verschiedenen Gasen oder Gasmischungen gespeist werden, die gleichzeitig aus den voneinander verschiedenen, jeweils einer der Gasverteilkammern (11,21) zugeordneten Gasaustrittsöffnungen (14, 24) austreten.The invention relates to a method and a device for depositing a two-dimensional layer on a substrate (4) in a CVD reactor (1), in which a process gas is fed into a gas distribution chamber (11, 21) of a gas inlet element by means of a feed line (10, 20) (2) is fed, which has gas outlet openings (14, 24) which open into a process chamber (3) in which the process gas or decomposition products of the process gas in the process chamber (3) are brought to a surface of a substrate (4), and in which the substrate (4) is brought to a process temperature (TP) by means of a heating device (6), so that the process gas in the process chamber reacts chemically in such a way that the two-dimensional layer is deposited on the surface. In order to separate heterostructures, it is proposed that the gas inlet element (2) have at least two separate gas distribution chambers (11, 21), each of which is supplied with a supply line (10, 20) with different gases or gas mixtures, which simultaneously come from the different , in each case one of the gas distribution chambers (11, 21) associated with gas outlet openings (14, 24) emerge.
Description
Gebiet der TechnikField of technology
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden einer zweidimensionalen Schicht auf einem Substrat in einem CVD-Reaktor, bei dem mittels einer Zuleitung ein Prozessgas in eine Gasverteilkammer eines Gaseinlassorganes eingespeist wird, welches Gasaustrittsöffnungen aufweist, die in eine Prozesskammer münden, bei dem das Prozessgas oder Zerlegungsprodukte des Prozessgases in der Prozesskammer zu einer Oberfläche eines Substrates gebracht werden, und bei dem das Substrat mittels einer Heizeinrichtung auf eine Prozesstemperatur gebracht wird, sodass das Prozessgas in der Prozesskammer chemisch derart reagiert, dass auf der Oberfläche die zweidimensionale Schicht abgeschieden wird.The invention relates to a method for depositing a two-dimensional layer on a substrate in a CVD reactor, in which a process gas is fed into a gas distribution chamber of a gas inlet element by means of a feed line, which process gas has gas outlet openings which open into a process chamber in which the process gas or decomposition products of the process gas in the process chamber are brought to a surface of a substrate, and in which the substrate is brought to a process temperature by means of a heating device, so that the process gas in the process chamber reacts chemically in such a way that the two-dimensional layer is deposited on the surface.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Vorrichtung zum Abscheiden einer zweidimensionalen Schicht auf einem Substrat mit einem CVD-Reaktor, der ein Gaseinlassorgan mit in eine Gasverteilkammer mündenden Zuleitung, eine Prozesskammer, in die Gasaustrittsöffnungen der Gasverteilkammern münden, und einen von einer Heizeinrichtung beheizbaren Suszeptor zur Aufnahme des Substrates, aufweist, wobei die Zuleitung mit einem Gasmischsystem verbunden ist, in dem zumindest von einer Inertgasquelle ein Inertgas und von mindestens einer Reaktivgasquelle ein reaktives Gas, welches die Eigenschaft aufweist, in eine beheizte Prozesskammer gebracht, derart chemisch zu reagieren, dass auf dem Substrat eine zweidimensionale Schicht abgeschieden wird, bereitgestellt werden.The invention also relates to a device for depositing a two-dimensional layer on a substrate with a CVD reactor which has a gas inlet element with a supply line opening into a gas distribution chamber, a process chamber into which the gas outlet openings of the gas distribution chambers open, and a susceptor that can be heated by a heating device of the substrate, the feed line being connected to a gas mixing system in which at least one inert gas source and at least one reactive gas source a reactive gas, which has the property of being brought into a heated process chamber to react chemically in such a way that at least one inert gas source Substrate a two-dimensional layer is deposited, are provided.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus die Verwendung eines CVD-Reaktors zum Abscheiden einer zweidimensionalen Schicht auf einem Substrat.The invention also relates to the use of a CVD reactor for depositing a two-dimensional layer on a substrate.
Stand der TechnikState of the art
Die
Die
Die
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen CVD-Reaktor anzugeben, mit dem mehrere voneinander verschiedene zweidimensionale Schichten übereinander abgeschieden werden können sowie ein diesbezügliches Verfahren anzugeben.The invention is based on the object of specifying a CVD reactor with which a plurality of mutually different two-dimensional layers can be deposited on top of one another, and of specifying a method in this regard.
Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung, wobei die Unteransprüche nicht nur vorteilhafte Weiterbildungen, sondern auch eigenständige Lösungen der Aufgabe darstellen.The object is achieved by the invention specified in the claims, the subclaims not only representing advantageous developments, but also independent solutions to the object.
Ein erfindungsgemäßer CVD-Reaktor besitzt zwei Volumina, die voneinander getrennt sind und die jeweils eine Gasverteilkammer ausbilden. In eine erste Gasverteilkammer kann ein erstes Prozessgas eingespeist werden. Bei dem Prozessgas kann es sich um eine Gasmischung aus mehreren, beispielsweise zwei reaktiven Gasen handeln. Bei dem Prozessgas kann es sich bevorzugt um nur ein reaktives Gas handeln. Dieses erste reaktive Gas kann zum Abscheiden einer ersten zweidimensionalen Schicht verwendet werden. Die zweite Gasverteilkammer ist dazu ausgelegt, dass in sie ein zweites Prozessgas eingespeist werden kann, um damit eine zweite zweidimensionale Schicht abzuscheiden. Das zweite Prozessgas ist vom ersten Prozessgas verschieden und kann aus ein oder mehreren reaktiven Gasen bestehen. Bevorzugt kann das zweite Prozessgas aber aus nur einem reaktiven Gas bestehen. Beim Abscheiden von Vielschichtstrukturen wird nacheinander in die eine und in die andere Gasverteilkammer ein jeweils anderes Prozessgas, insbesondere nur ein reaktives Gas oder aber auch eine Mischung mehrerer insbesondere zwei reaktiver Gase, eingespeist. Bevorzugt wird jeweils immer nur in eine der mehreren Gasverteilkammern ein Prozessgas eingespeist. In die andere der mehreren Gasverteilkammern wird jeweils ein Inertgas, beispielsweise ein Edelgas, eingespeist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren weist das Gaseinlassorgan zumindest zwei voneinander getrennte Gasverteilkammern auf, die mit jeweils einer Zuleitung mit voneinander verschiedenen Gasen oder Gasmischungen gespeist werden. Die Vorrichtung kann aber auch mehr als zwei Gasverteilkammern aufweisen, die jeweils mit einer Zuleitung gespeist werden können. Die Gase treten gleichzeitig aus voneinander verschiedenen, jeweils einer der Gasverteilkammern zugeordneten Gasaustrittsöffnung aus. Ein erfindungsgemäßer CVD-Reaktor kann vertikal übereinander angeordnete Gasverteilkammern aufweisen, die sich jeweils über die gesamte Gasaustrittsfläche des Gaseinlassorganes erstrecken können. Die Gasauslassfläche kann eine Kreisscheibenform sowie gleichmäßig verteilte Gasaustrittsöffnungen aufweisen. Die Gasaustrittsöffnungen sind mit den verschiedenen Gasverteilkammern verbunden, wobei jeweils eine Öffnung jeweils nur mit einer Gasverteilkammer strömungsverbunden ist. Durch die Gasaustrittsöffnungen kann das Prozessgas in die Prozesskammer des CVD-Reaktors einströmen, wo es chemisch derart reagiert, dass auf der Oberfläche eines Substrates, bei dem es sich um ein Saphirsubstrat, ein Siliziumsubstrat oder dergleichen handeln kann, eine zweidimensionale Schicht abgeschieden wird. Jede Gasverteilkammer ist mit einer Vielzahl von Gasaustrittsöffnungen mit der Gasaustrittsfläche strömungsverbunden, wobei die Gasaustrittsöffnungen im Wesentlichen gleichmäßig verteilt über die Gasaustrittsfläche angeordnet sind. Gemäß einer ersten Variante der Erfindung wird in eine erste der Gasverteilkammern ein Inertgas und in eine zweite der Gasverteilkammern ein reaktives Gas eingespeist, welches reaktive Gas in der Prozesskammer pyrolytisch zerlegt wird, wobei die Zerlegungsprodukte eine zweidimensionale Schicht auf dem Substrat bilden. In einer zweiten Alternative der Erfindung kann in die Gasverteilkammern jeweils ein anderes reaktives Gas eingespeist werden. In der Prozesskammer können die reaktiven Gase chemisch miteinander reagieren und eine zweidimensionale Schicht bilden. Bei der ersten Alternative wird bevorzugt Graphen oder hBN abgeschieden, wobei als reaktives Gas Methan oder Borazin verwendet wird. Bei der zweiten Alternative des Verfahrens kann in eine der Gasverteilkammern ein Gas eines Übergangsmetalls, beispielsweise Wolfram, Molybdän oder dergleichen, eingespeist werden. In die zweite Gasverteilkammer kann ein Gas der sechsten Hauptgruppe, beispielsweise Schwefel, Selen oder Tellur eingespeist werden. Bei den zweidimensionalen Schichten kann es sich um Übergangsmetall-Chalkogenide handeln. In einer bevorzugten Ausgestaltung besitzt der CVD-Reaktor eine zur Prozesskammer weisende Gasaustrittsplatte, die auf ihrer Rückseite an eine Kühlkammer angrenzt, durch die ein Kühlmedium hindurchströmen kann. Oberhalb der Kühlkammer kann sich eine erste Gasverteilkammer befinden, in die ein erstes Gas eingespeist wird. Mit Röhrchen, die die Kühlkammer kreuzen, ist die Gasverteilkammer mit der Gasaustrittsfläche der Gasaustrittsplatte des Gaseinlassorgans verbunden. Es wechseln sich in lateraler Richtung erste Röhrchen mit zweiten Röhrchen ab, wobei die ersten Röhrchen die erste Gasverteilkammer mit der Gasaustrittsfläche verbinden und die zweiten Röhrchen sowohl die Kühlkammer als auch die erste Gasverteilkammer kreuzen und eine oberhalb der ersten Gasverteilkammer angeordnete zweite Gasverteilkammer mit der Gasaustrittsplatte verbinden. Das Gasauslassorgan kann aber auch eine Ausgestaltung besitzen, wie sie in den
FigurenlisteFigure list
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
-
1 schematisch einen CVD-Reaktor1 mit einem zugehörigen Gasmischsystem und -
2 den Ausschnitt II in1 .
-
1 schematically a CVD reactor1 with an associated gas mixing system and -
2 the section II in1 .
Beschreibung der AusführungsformenDescription of the embodiments
Die Figuren zeigen einen CVD-Reaktor
Die zur Prozesskammer
Das Gaseinlassorgan
In die Gasverteilkammer
Die Gasverteilkammer
Die Gasverteilkammer
In die Kühlkammer
Die Bezugsziffer
Das Gasmischsystem
Die Bezugsziffern
Mit den Bubblern
Wird in eine der Gasverteilkammern
Alternativ dazu kann aber auch ein gasförmig zur Verfügung stehender Ausgangsstoff, beispielsweise Methan oder ein anderer Kohlenwasserstoff aus einer Gasquelle
Zum Abscheiden von Mehrschichtstrukturen wird abwechselnd in eine der Gasverteilkammern
Alternativ dazu kann in eine der Gasverteilkammern aber auch ein Prozessgas, welches eine Mischung aus zwei reaktiven Gasen ist, eingespeist werden. Beispielsweise kann eines der reaktiven Gase Wolfram-Hexacarbonyl sein, welches über einen Bubbler
Die Erfindung betrifft sämtliche Materialpaarungen, die in der
Die vorstehenden Ausführungen dienen der Erläuterung der von der Anmeldung insgesamt erfassten Erfindungen, die den Stand der Technik zumindest durch die folgenden Merkmalskombinationen jeweils auch eigenständig weiterbilden, wobei zwei, mehrere oder alle dieser Merkmalskombinationen auch kombiniert sein können, nämlich:The above explanations serve to explain the inventions covered by the application as a whole, which also develop the state of the art independently at least through the following combinations of features, whereby two, more or all of these combinations of features can also be combined, namely:
Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Gaseinlassorgan
Eine Verwendung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Gaseinlassorgan
Ein Verfahren oder eine Verwendung, die dadurch gekennzeichnet sind, dass in eine erste 11 der Gasverteilkammern
Ein Verfahren oder eine Verwendung, die dadurch gekennzeichnet sind, dass in einem zweiten Schritt auf eine in einem ersten Schritt abgeschiedene erste zweidimensionale Schicht, bei deren Abscheidung durch die erste Gasverteilkammer
Ein Verfahren oder eine Verwendung, die dadurch gekennzeichnet sind, dass in mehreren aufeinander folgenden Schritten voneinander verschiedene zweidimensionale Schichten aufeinander abgeschieden wird, wobei die dabei verwendeten reaktiven Gase insbesondere abwechselnd in voneinander verschiedene Gasverteilkammern
Eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Gaseinlassorgan
Ein Verfahren, eine Verwendung oder eine Vorrichtung, die gekennzeichnet sind durch eine Umschaltvorrichtung
Ein Verfahren, eine Verwendung oder eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Reaktivgasquellen
Ein Verfahren, eine Verwendung oder eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet sind, dass das Gaseinlassorgan
Alle offenbarten Merkmale sind (für sich, aber auch in Kombination untereinander) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen. Die Unteransprüche charakterisieren, auch ohne die Merkmale eines in Bezug genommenen Anspruchs, mit ihren Merkmalen eigenständige erfinderische Weiterbildungen des Standes der Technik, insbesondere um auf Basis dieser Ansprüche Teilanmeldungen vorzunehmen. Die in jedem Anspruch angegebene Erfindung kann zusätzlich ein oder mehrere der in der vorstehenden Beschreibung, insbesondere mit Bezugsziffern versehene und/ oder in der Bezugsziffernliste angegebene Merkmale aufweisen. Die Erfindung betrifft auch Gestaltungsformen, bei denen einzelne der in der vorstehenden Beschreibung genannten Merkmale nicht verwirklicht sind, insbesondere soweit sie erkennbar für den jeweiligen Verwendungszweck entbehrlich sind oder durch andere technisch gleichwirkende Mittel ersetzt werden können.All the features disclosed are essential to the invention (individually, but also in combination with one another). The disclosure of the application hereby also includes the full content of the disclosure content of the associated / attached priority documents (copy of the previous application), also for the purpose of including features of these documents in the claims of the present application. The subclaims characterize, even without the features of a referenced claim, with their features independent inventive developments of the prior art, in particular in order to make divisional applications on the basis of these claims. The invention specified in each claim can additionally have one or more of the features provided in the above description, in particular provided with reference numbers and / or specified in the list of reference numbers. The invention also relates to design forms in which some of the features mentioned in the above description are not implemented, in particular insofar as they are recognizable for the respective purpose or can be replaced by other technically equivalent means.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- CVD-ReaktorCVD reactor
- 22
- GaseinlassorganGas inlet element
- 33
- ProzesskammerProcess chamber
- 44th
- SubstratSubstrate
- 55
- SuszeptorSusceptor
- 66th
- HeizeinrichtungHeating device
- 77th
- GasauslassorganGas outlet member
- 88th
- KühlkammerCooling chamber
- 8'8th'
- ZuleitungSupply line
- 8''8th''
- AbleitungDerivation
- 99
- GasaustrittsplatteGas outlet plate
- 1010
- ZuleitungSupply line
- 1111
- GasverteilkammerGas distribution chamber
- 1212th
- Rohrpipe
- 12'12 '
- Rohrpipe
- 1313th
- ZwischenplatteIntermediate plate
- 1414th
- GasaustrittsöffnungGas outlet opening
- 1515th
- AuflageflächeSupport surface
- 1616
- DeckenplatteCeiling plate
- 1717th
- Fensterwindow
- 1818th
- StrahlengangBeam path
- 1919th
- optisches Gerät, Pyrometeroptical device, pyrometer
- 2020th
- ZuleitungSupply line
- 2121
- GasverteilkammerGas distribution chamber
- 2323
- ZwischenplatteIntermediate plate
- 2424
- GasaustrittsöffnungGas outlet opening
- 2525th
- GasaustrittsflächeGas outlet surface
- 2929
- Steuerungcontrol
- 3030th
- MassenflusskontrollerMass flow controller
- 30'30 '
- MassenflusskonrollerMass flow controller
- 3131
- KonzentrationsmessgerätConcentration meter
- 31'31 '
- KonzentrationsmessgerätConcentration meter
- 3232
- BubblerBubbler
- 32'32 '
- BubblerBubbler
- 3333
- UmschaltventilChangeover valve
- 33'33 '
- UmschaltventilChangeover valve
- 3434
- Run-LeitungRun line
- 34'34 '
- Run-LeitungRun line
- 3535
- Vent-LeitungVent line
- 3737
- MassenflusskontrollerMass flow controller
- 37'37 '
- MassenflusskontrollerMass flow controller
- 3939
- InertgasquelleInert gas source
- 39'39 '
- InertgasquelleInert gas source
- 4040
- ReaktivgasquelleReactive gas source
- 40'40 '
- ReaktivgasquelleReactive gas source
- 4141
- MassenflusskontrollerMass flow controller
- 41'41 '
- Massenflusskontroller Mass flow controller
- TPTP
- ProzesstemperaturProcess temperature
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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